装置間比較を通じた磁場閉じ込め高温プラズマの同位体効果の解明

通过设备之间的比较阐明磁约束高温等离子体中的同位素效应

基本信息

批准号：
21J12314
负责人：
木下稔基
金额：
$ 0.96万
依托单位：
Kyushu University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-28 至 2023-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究はLHDにおける輸送研究を促進するために2種類の計測器の開発および閉じ込めの水素同位体効果の理解を目指して実施したものである．計測器開発の1つ目は波長10.6umCO2レーザーおよび波長4.6umの量子カスケードレーザー(QCL)を用いた2波長レーザー干渉計(CO2/QCL干渉計)であり，ベンチトップ実験を通じて光学設計の最適化を行い，LHDへ導入した．その結果，高空間分解能で電子密度分布計測が可能となった．本計測器は高密度プラズマにおける物理研究や高精度な粒子輸送実験への適用が期待できる．2つ目は位相コントラストイメージングによる乱流揺動の絶対値計測である．乱流揺動はプラズマの閉じ込めを決定する重要な要因であり，絶対値計測が可能となることで異なる装置間の比較が可能となった．閉じ込めの水素同位体効果の解明を目指してLHDにて水素同位体実験を行った．本実験では一定の加熱条件下において電子密度をスキャンし，熱・粒子輸送および乱流揺動の計測を行った．その結果，ある電子密度(遷移密度)においてプラズマの閉じ込め時間および電子密度揺動の電子密度依存性が変化し，遷移密度以上では軽水素プラズマと比べて重水素プラズマにおいて揺動が減少し，閉じ込めが改善する結果がえられた．これはプラズマを支配する乱流揺動の種類が変化したためであり，乱流揺動のパラメータ依存性および2種類のシミュレーションを駆使することで電子密度の増加に伴い支配的な乱流揺動がイオン温度勾配不安定から抵抗性交換型不安定性に遷移したことが明らかとなった．したがって，重水素プラズマにおける揺動の抑制および閉じ込めの改善は支配的な乱流揺動が抵抗性交換型不安定性であるためであり，この重水素プラズマにおける閉じ込め改善メカニズムはこれまでトカマク型装置で確認されたメカニズムとは全く異なるものであることを発見した．

本研究的目的是开发两种类型的仪器并了解限制的氢同位素效应，以促进 LHD 的运输研究。第一个研制的仪器是双波长激光干涉仪（CO2/QCL干涉仪），采用波长为10.6um的CO2激光器和波长为4.6um的量子级联激光器（QCL），光学设计为通过台式实验进行优化并将其引入 LHD 中。结果，可以以高空间分辨率测量电子密度分布。该仪器有望应用于高密度等离子体物理研究和高精度粒子输运实验。第二种方法是使用相差成像测量湍流波动的绝对值。湍流波动是确定等离子体约束的重要因素，测量绝对值的能力使得比较不同的设备成为可能。在 LHD 进行了氢同位素实验，旨在阐明约束的氢同位素效应。在这个实验中，我们扫描了恒定加热条件下的电子密度，并测量了热/粒子传输和湍流波动。结果，在一定的电子密度（跃迁密度）下，等离子体约束时间和电子密度波动对电子密度的依赖性发生变化，并且在跃迁密度以上，与轻氢等离子体相比，氘等离子体的波动减小，并且约束结果表明结果有所改善。这是由于主导等离子体的湍流波动类型发生了变化，通过充分利用湍流波动的参数依赖性和两种类型的模拟，随着电子密度的增加，主导的湍流波动减少，这一点变得很清楚。存在从离子温度梯度不稳定性到电阻交换型不稳定性的转变。因此，抑制氘等离子体中的波动并改善其约束是由于主要的湍流波动是电阻交换不稳定性，并且迄今为止在托卡马克型装置中尚未实现改善氘等离子体中的约束的机制。机制与之前确认的机制完全不同。